美国能源部艾姆斯实验室的科学家们发现了一种控制三维拓扑绝缘体表面导电性的方法，这种材料在自旋电子器件和量子计算中有潜在的应用前景。三维拓扑绝缘子是一种新兴的材料，由于其表面具有独特的电子导电态，且不受反向散射的影响，因此具有广阔的应用前景。但托换和选择性地控制它们在表面的高频输运，同时又不增加大块材料的散射，仍然是一个挑战。埃姆斯实验室的研究人员利用超短中红外和太赫兹脉冲，在不到一万亿分之一秒的时间内，成功地分离和控制了铋硒(Bi2Se3)三维拓扑绝缘体的表面特性。该方法本质上提供了一种新的“调谐旋钮”，用于控制这类材料的受保护表面电导率。
博科园-科学科普：艾姆斯实验室物理学家、爱荷华州立大学教授王季刚表示：我们相信，这项研究可以发展成一种表征和操纵这些材料的基准方法，从而更好地理解和适应这些材料在新量子技术中的应用。在《自然通讯》上发表的一篇论文《Bi2Se3中红外和太赫兹脉冲驱动的拓扑增强表面传输的超快处理》进一步讨论了这一研究。三维拓扑绝缘子中极薄表面的拓扑保护输运是量子科学技术的新突破。然而，如何从体积贡献中分离和选择性地控制表面螺旋自旋输运仍然是一个挑战。
埃姆斯实验室研究人员利用超短中红外和太赫兹脉冲，在不到一万亿分之一秒的时间内，成功地分离和控制了铋硒(Bi2Se3)三维拓扑绝缘体的表面特性。图片：Ames Laboratory
使用中红外和太赫兹(THz)光激发的排他内带跃迁，使超快操纵表面THz电导率在Bi2Se3。这种独特的瞬态电子状态的特征是频率依赖性的载流子弛豫，这种弛豫可以直接将速度快于体积的表面通道与带间激励或减少体积掺杂的需要区分开来，而不产生任何并发。确定体积散射率和表面散射率之间的拓扑增强比，即γBS /γSS ~ 3.80处于平衡状态。超宽带、波长选择性泵浦可用于新兴拓扑半金属的分离和控制与Weyl节点相连的受保护输运。
博科园-科学科普｜研究/来自:艾姆斯实验室
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-019-08559-6
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